CN114221452B - 一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控制方法，包括电源侧电路、接收电路、均衡电路。电源侧电路包括第一整流电路、LC滤波电路、逆变电路，工频电源AC连接第一整流电路，第一整流电路连接LC滤波电路，LC滤波电路连接逆变电路，逆变电路连接发射线圈L1。接收电路包括第二整流电路、可变电容、串联电池组，接收线圈L2连接第二整流电路，第二整流电路连接可变电容，可变电容连接串联电池组。均衡电路包括均衡单元、开关阵列，均衡单元连接开关阵列，开关阵列连接串联电池组。本发明无线充电装置和控制方法能够在充电的同时对电池组进行能量均衡，从而减少先充电再均衡过程造成的能量损耗，具备使用方便、安全可靠，快捷便利的优点。

Description

一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控 制方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控制方法。

背景技术

如今，以锂电池为动力源的新能源汽车以得到了广泛应用。插电式充电方式需要接头匹配，受充电桩位置和距离的限制，容易存在安全隐患。无线充电方式能够进行非接触式充电，在安全性和便捷性上有很大提升。但也面临着一些问题，原副线圈不能特别好的匹配工作，而导致充电传输效率低。无线充电传输功率不够大，在电动车辆上无线充电一般为慢充，这个功率是满足需求的，但比起传统技术需要的时间长得多。

现有的无线充电技术往往忽略了电池单体的不一致性，将电池组视为一个整体。这样充电就会存在部分电池充满，部分电池未充满的问题。此时继续充电，那些已充满电的电池就会面临充电过度的问题，带来***的安全隐患。因此需要停止充电，这将导致一部分电池仍未充满电，这部分电池的可充电容量未充分利用，从而造成可用容量的闲置与浪费，限制了新能源汽车的续航里程。同样，在新能源汽车行驶的过程中，所有的电池被视为一个整体，电池单体的不一致性被忽略。这样一来，在行驶的过程中有些电池中的电量耗尽，但有些电池中还有剩余电量。若此时继续行驶，电量耗尽的电池便面临电池过度使用的问题使电池寿命缩短，电动汽车使用年限缩短，所以此时应停止行驶，新能源汽车的行驶里程被限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控制方法。与现有技术相比，本发明无线充电装置和控制方法能够在充电的同时对电池组进行能量均衡，从而减少先充电再均衡过程造成的能量损耗，具备使用方便、安全可靠，快捷便利的优点。

本发明采取的技术方案为：

一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，包括：电源侧电路、接收电路、均衡电路；

所述电源侧电路包括第一整流电路、LC滤波电路、逆变电路，工频电源AC连接第一整流电路，第一整流电路连接LC滤波电路，LC滤波电路连接逆变电路，逆变电路连接发射线圈L1；

所述接收电路包括第二整流电路、可变电容、串联电池组，接收线圈L2连接第二整流电路，第二整流电路连接可变电容，可变电容连接串联电池组；

所述均衡电路包括均衡单元、开关阵列，均衡单元连接开关阵列，开关阵列连接串联电池组。

所述第一整流电路包括二极管VD1、VD2、VD3、VD4；LC滤波电路包括电感Lf、电容C1；逆变电路包括开关管VT1、VT2、VT3、VT4；

工频电源AC一侧分别连接二极管VD1阳极、二极管VD3阴极，工频电源AC另一侧分别连接二极管VD2阳极、二极管VD4阴极；二极管VD1阴极、二极管VD2阴极均连接电感Lf一端，电感Lf另一端连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接二极管VD3阳极、二极管VD4阳极；

电容C1一端分别连接开关管VT1的源极、开关管VT2的源极，电容C1另一端分别连接开关管VT3的漏极、开关管VT4的漏极，开关管VT1的漏极连接开关管VT3的源极，开关管VT2的漏极连接开关管VT4的源极，开关管VT1的漏极连接发射线圈L1一端，发射线圈L1另一端连接开关管VT4的源极。

所述第二整流电路包括二极管VD7、二极管VD8、二极管VD9、二极管VD10，可变电容包括电容C2，开关管SC1、SC2、SC3、SC4，串联电池组包括n只串联连接的电池B1、电池B2、电池B3......电池BN；

接收线圈L2一端分别连接二极管VD7阳极、二极管VD9阴极，接收线圈L2另一端分别连接二极管VD8阳极、二极管VD10阴极；

电容C2一端分别连接开关管SC1漏极、开关管SC3漏极，电容C2另一端分别连接开关管SC2源极、开关管SC4源极，开关管SC1源极分别连接开关管SC2漏极、二极管VD8阴极，开关管SC3源极分别连接开关管SC4漏极、二极管VD10阳极；

二极管VD8阴极连接串联电池组正极，二极管VD10阳极连接串联电池组负极。

所述均衡单元包括开关管SH、开关管SL、开关SE、电感L3，开关管SH的漏级连接第二整流电路输出正极，开关管SL源级连接第二整流电路输出负极，开关管SH的源级分别连接开关管SL的漏极、开关SE一端、电感L3一端，开关SE另一端、电感L3另一端均连接开关阵列一侧端子PM，所述开关阵列包括N-1个开关S1、S2、S3......S_N-1，任意一个开关一端均连接端子PM，开关S1另一端、开关S2另一端、开关S3另一端......开关S_N-₁另一端分别连接电池B1负极、电池B2负极、电池B3负极......电池BN-1负极。

所述电池B1正极通过开关Sup连接第二整流电路输出正极，电池BN负极通过开关Sdown连接第二整流电路输出负极。

本发明一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置及其控制方法，技术效果如下：

1)本发明的非接触式充电方式减少由接头带来的安全隐患，充电方式简单、便捷、高效。

2)本发明的接收端采用电子电容，可调节电容大小，从而追踪发射端频率，实现充电效率最大化。

3)本发明仅使用均衡单元和开关阵列的组合，降低了***的体积和质量，均衡电路亦能在充电过程中进行，减少了由先充电再均衡的二次损耗。

4)本发明均衡电路能够让电池组在充电过程中保持电量一致性，同时亦能在闲置状态下实现电池组能量的二次分配。进一步地，来自电源侧的能量也可以充入电池组中的部分电池，从而实现在充电时均衡，降低现充电再均衡造成的额外损耗。

附图说明

图1为本发明电动汽车无线充电装置结构示意图。

图2为本发明的无线充电电路发射部分电路图。

图3为本发明的无线充电电路接收部分电路图。

图4为本发明的均衡电路部分电路图。

图5为本发明的电动汽车无线充电装置整体电路图。

图6为电池能量一致时的充电过程示意图。

图7(a)为均衡电路状态一工作原理图；

图7(b)为均衡电路状态二工作原理图。

图8(a)为均衡电路状态①工作原理图；

图8(b)为均衡电路状态②工作原理图；

图8(c)为均衡电路状态③工作原理图；

图8(d)为均衡电路状态④工作原理图。

图9为均衡过程的充电模式图一；

图10为均衡过程的充电模式图二。

图11为本发明的工作方式选择流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，包括电源侧电路、接收电路、均衡电路。所述电源侧电路包括第一整流电路、LC滤波电路、逆变电路，工频电源AC连接第一整流电路，第一整流电路连接LC滤波电路，LC滤波电路连接逆变电路，逆变电路连接发射线圈L1。所述接收电路包括第二整流电路、可变电容、串联电池组，接收线圈L2连接第二整流电路，第二整流电路连接可变电容，可变电容连接串联电池组。所述均衡电路包括均衡单元、开关阵列，均衡单元连接开关阵列，开关阵列连接串联电池组。

如图2所示，所述第一整流电路包括二极管VD1、VD2、VD3、VD4；LC滤波电路包括电感Lf、电容C1；逆变电路包括开关管VT1、VT2、VT3、VT4。工频电源AC一侧分别连接二极管VD1阳极、二极管VD3阴极，工频电源AC另一侧分别连接二极管VD2阳极、二极管VD4阴极；二极管VD1阴极、二极管VD2阴极均连接电感Lf一端，电感Lf另一端连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接二极管VD3阳极、二极管VD4阳极。电容C1一端分别连接开关管VT1的源极、开关管VT2的源极，电容C1另一端分别连接开关管VT3的漏极、开关管VT4的漏极，开关管VT1的漏极连接开关管VT3的源极，开关管VT2的漏极连接开关管VT4的源极，开关管VT1的漏极连接发射线圈L1一端，发射线圈L1另一端连接开关管VT4的源极。

如图3所示，所述第二整流电路包括二极管VD7、二极管VD8、二极管VD9、二极管VD10，可变电容包括电容C2，开关管SC1、SC2、SC3、SC4，串联电池组包括n只串联连接的电池B1、电池B2、电池B3......电池BN。接收线圈L2一端分别连接二极管VD7阳极、二极管VD9阴极，接收线圈L2另一端分别连接二极管VD8阳极、二极管VD10阴极。电容C2一端分别连接开关管SC1漏极、开关管SC3漏极，电容C2另一端分别连接开关管SC2源极、开关管SC4源极，开关管SC1源极分别连接开关管SC2漏极、二极管VD8阴极，开关管SC3源极分别连接开关管SC4漏极、二极管VD10阳极。二极管VD8阴极连接串联电池组正极，二极管VD10阳极连接串联电池组负极。

如图4所示，所述均衡单元包括开关管SH、开关管SL、开关SE、电感L3，开关管SH的漏级连接第二整流电路输出正极，开关管SL源级连接第二整流电路输出负极，开关管SH的源级分别连接开关管SL的漏极、开关SE一端、电感L3一端，开关SE另一端、电感L3另一端均连接开关阵列一侧端子PM，所述开关阵列包括N-1个开关S1、S2、S3......S_N-₁，任意一个开关一端均连接端子PM，开关S1另一端、开关S2另一端、开关S3另一端......开关S_N-1另一端分别连接电池B1负极、电池B2负极、电池B3负极......电池BN-1负极。所述电池B1正极通过开关Sup连接第二整流电路输出正极，电池BN负极通过开关Sdown连接第二整流电路输出负极。

一种电动汽车无线充电电路的充电控制方法，包括以下步骤：

步骤一：工频电源AC通过第一整流电路获得含谐波的直流电；

步骤二：步骤一获得的直流电经过LC滤波电路除去杂波，得到稳定直流电；

步骤三：步骤二获得的稳定直流电通过逆变电路在发射线圈L1上产生高频交流；

步骤四：接收线圈L2通过磁耦合作用在两端产生高频交流电；

步骤五：步骤四获得的高频交流电通过负载侧第二整流电路转换成含谐波的直流电；

步骤六：步骤五获得的含谐波的直流电通过可变电容的滤波，得到稳定直流电；

步骤七：步骤六获得的稳定直流电通过串联电池组的正极、负极为串联电池组充电；

步骤八：串联电池组中各个电池单体能量差通过均衡单元和开关阵列进行均衡。

一种可变电容控制方法，控制开关管SC1、开关管SC4导通，电容C2接入接收电路，此时电路中电容值为C2，然后控制开关管SC4关断，开关管SC3导通，电容C2从接收电路中被旁路，此时接收侧电容值为0。同理，控制开关管SC2、开关管SC3导通，电容C2反向接入接收电路，此时电路中电容值为C2，然后控制开关管SC3关断，开关管SC4导通，电容C2从接收电路中被旁路，此时接收侧电容值变为0。

通过控制开关管SC1、开关管SC2、开关管SC3、开关管SC4的导通时间即开关管的占空比，能够控制电容C2接入负载侧的时间，对接收电路而言等效电容值与占空比相关，通过调整开关管的占空比，能够实现等效电容值从0到其额定电容容值可调，即电容容值可变。

一种电池均衡控制方法，包括：

(1)电池组中两部分电池之间能量均衡：

首先，设电池组中前i只电池的能量偏高，需要将电池组中前i只电池的多余能量转移给电池组中后N-i+1只电池，需要闭合开关Si。

如图7(a)所示，状态一：控制开关管SH导通，开关管SL关断，前i只电池和开关管SH以及电感L3构成放电回路，电感L3储存由前i只电池释放的能量，电感上的电流方向向右。

如图7(b)所示，状态二：控制开关管SH关断，开关管SL关断，电池组中后N-i+1只电池与开关管SL的反并联二极管和电感L3构成放电回路。开关管SL的反并联二极管起到续流作用。电感L3释放在阶段一吸收的能量，电感L3上的电流方向向右，电池组中后N-i+1只电池被充电。

通过状态一和状态二两个过程，电池组中前i只电池的多余能量先通过电感储存，接着通过电感L3释放给电池组中后N-i+1只电池。

(2)电池组中某只电池能量偏高需要转移：

当电池组中某只电池能量偏高需要将其能量转移给电池组中其余电池。

设电池Bi与电池平均能量的差值为首先闭合开关Si-1,断开开关Si；

如图8(a)所示，在状态①中，导通开关管SL，电池Bi至电池Bn每节电池释放能量为△ε₁，这部分能量储存在电感L3中；

如图8(b)所示，在状态②中，断开开关管SL(i-1),电感将在状态一中电感L3储存的能量释放给电池B1至电池Bn-1；

接着闭合开关Si,断开开关Si-1；

如图8(c)所示，在状态③中，导通开关管SH，电池B1至电池Bi每节电池释放能量为△ε₂，这部分能量被临时储存在电感L3中；

如图8(d)所示，在状态④中，断开开关管SH，电感L3将状态三中储存的能量释放给电池Bi+1至电池Bn。

通过电感的伏秒平衡特性，列写方程式对△ε₁，△ε₂进行求解：

公式(1)为前i-1节电池的能量变化量，

公式(2)为第i节电池的能量变化量，

公式(3)为后n-i+1节电池的能量变化量：

联立方程式求解：

这说明通过控制四个开关管，能够实现将电池组中任意节电量偏高的能量均匀的分给电池组中其他电池；当异常电池位置为串联电池组的首位和末位时，仅控制一个开关管就能实现该功能。

一种伴随电池能量均衡的无线充电过程控制方法，在充电过程中，若需要为电池组中部分能量偏低的电池进行充电，设电池组中前三只电池电量偏低，需要额外对他们进行充电，此时电感L3作为无线充电的二次线圈吸收电源侧电路发出的能量。闭合开关Sup和Sdown，闭合开关S3，闭合开关SH。此时，电池B1、B2、B3、开关管SH以及电感L3构成闭合回路。

电感L3作为二次线圈吸收发射电路提供的能量。由于电感上产生的是高频交流，因此需要将电感L3电流向左时和电池B1、B2以及B3构成回路；

当电感L3电流方向向右时，通过二极管与剩余N-3只电池构成充电回路。由于电感L3在正负周期吸收的能量相等，故在整个周期中，前三只电池吸收的总能量等于后N-3只电池吸收的能量。对单体电池而言，前三只电池每只吸收的能量都大于后N-3只电池每只吸收的能量，降低了单体电池能量差，亦实现了对电池组中部分能量偏低的电池进行额外充电。

同理可得，均衡电路能够在无线充电过程中对电池组中前任意只电池进行额外充电。类似地，也可以对电池组后任意只电池进行额外充电，以降低单体电池的能量差。

图11为本发明工作方式选择流程图。首先，通过对电池组整体能量进行判断是否需要进行无线充电，若需要，进而下一步判断是否电池需要均衡，若需要，则进行伴随均衡控制的无线充电，若不需要均衡则可进行无线充电。若电池组能量充足无需要无线充电，但单体电池能量差较大，需要进行能量均衡，则可以单独控制均衡电池将电池组的能量进行转移并二次分配从而实现均衡的目的。

Claims (8)

1.一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，其特征在于包括：电源侧电路、接收电路、均衡电路；

所述电源侧电路包括第一整流电路、LC滤波电路、逆变电路，工频电源AC连接第一整流电路，第一整流电路连接LC滤波电路，LC滤波电路连接逆变电路，逆变电路连接发射线圈L1；

所述接收电路包括第二整流电路、可变电容、串联电池组，接收线圈L2连接第二整流电路，第二整流电路连接可变电容，可变电容连接串联电池组；

所述均衡电路包括均衡单元、开关阵列，均衡单元连接开关阵列，开关阵列连接串联电池组；串联电池组中各个电池单体能量差通过均衡单元和开关阵列进行均衡；

均衡单元包括开关管SH、开关管SL、开关SE、电感L3，开关管SH的漏级连接第二整流电路输出正极，开关管SL源级连接第二整流电路输出负极，开关管SH的源级分别连接开关管SL的漏极、开关SE一端、电感L3一端，开关SE另一端、电感L3另一端均连接开关阵列一侧端子PM；

开关阵列包括N-1个开关S1、S2、S3......SN-1，任意一个开关一端均连接端子PM，开关S1另一端、开关S2另一端、开关S3另一端......开关SN-1另一端分别连接电池B1负极、电池B2负极、电池B3负极......电池BN-1负极；

在充电过程中，若需要为电池组中部分能量偏低的电池进行充电，设电池组中前X只电池电量偏低，需要额外对它们进行充电，此时电感L3作为无线充电的二次线圈吸收电源侧电路发出的能量，闭合开关Sup和Sdown，闭合开关SX，闭合开关SH；此时，电池B1、B2、B3、......Bx,开关管SH,以及电感L3构成闭合回路；

电感L3作为二次线圈吸收发射电路提供的能量，由于电感上产生的是高频交流，因此需要将电感L3电流向左时和电池B1、B2、B3、......Bx构成回路；

当电感L3电流方向向右时，通过二极管与剩余N-X只电池构成充电回路；由于电感L3在正负周期吸收的能量相等，故在整个周期中，前X只电池吸收的总能量等于后N-X只电池吸收的能量；

均衡电路能够在无线充电过程中对电池组中前任意只电池进行额外充电，也能够对电池组后任意只电池进行额外充电。

2.根据权利要求1所述一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，其特征在于：所述第一整流电路包括二极管VD1、VD2、VD3、VD4；LC滤波电路包括电感Lf、电容C1；逆变电路包括开关管VT1、VT2、VT3、VT4；

工频电源AC一侧分别连接二极管VD1阳极、二极管VD3阴极，工频电源AC另一侧分别连接二极管VD2阳极、二极管VD4阴极；二极管VD1阴极、二极管VD2阴极均连接电感Lf一端，电感Lf另一端连接电容C1一端，电容C1另一端分别连接二极管VD3阳极、二极管VD4阳极；

电容C1一端分别连接开关管VT1的源极、开关管VT2的源极，电容C1另一端分别连接开关管VT3的漏极、开关管VT4的漏极，开关管VT1的漏极连接开关管VT3的源极，开关管VT2的漏极连接开关管VT4的源极，开关管VT1的漏极连接发射线圈L1一端，发射线圈L1另一端连接开关管VT4的源极。

3.根据权利要求1所述一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，其特征在于：所述第二整流电路包括二极管VD7、二极管VD8、二极管VD9、二极管VD10，可变电容包括电容C2，开关管SC1、SC2、SC3、SC4，串联电池组包括n只串联连接的电池B1、电池B2、电池B3......电池BN；

接收线圈L2一端分别连接二极管VD7阳极、二极管VD9阴极，接收线圈L2另一端分别连接二极管VD8阳极、二极管VD10阴极；

电容C2一端分别连接开关管SC1漏极、开关管SC3漏极，电容C2另一端分别连接开关管SC2源极、开关管SC4源极，开关管SC1源极分别连接开关管SC2漏极、二极管VD8阴极，开关管SC3源极分别连接开关管SC4漏极、二极管VD10阳极；

二极管VD8阴极连接串联电池组正极，二极管VD10阳极连接串联电池组负极。

4.根据权利要求1所述一种具有电池能量均衡功能的电动汽车无线充电装置，其特征在于：所述电池B1正极通过开关Sup连接第二整流电路输出正极，电池BN负极通过开关Sdown连接第二整流电路输出负极。

5.采用如权利要求1～4任意一项电动汽车无线充电装置的电动汽车无线充电电路的充电控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：工频电源AC通过第一整流电路获得含谐波的直流电；

步骤二：步骤一获得的直流电经过LC滤波电路除去杂波，得到稳定直流电；

步骤三：步骤二获得的稳定直流电通过逆变电路在发射线圈L1上产生高频交流；

步骤四：接收线圈L2通过磁耦合作用在两端产生高频交流电；

步骤五：步骤四获得的高频交流电通过负载侧第二整流电路转换成含谐波的直流电；

步骤六：步骤五获得的含谐波的直流电通过可变电容的滤波，得到稳定直流电；

步骤七：步骤六获得的稳定直流电通过串联电池组的正极、负极为串联电池组充电；

步骤八：串联电池组中各个电池单体能量差通过均衡单元和开关阵列进行均衡。

6.采用如权利要求1～4任意一项电动汽车无线充电装置的一种可变电容控制方法，其特征在于：控制开关管SC1、开关管SC4导通，电容C2接入接收电路，此时电路中电容值为C2，然后控制开关管SC4关断，开关管SC3导通，电容C2从接收电路中被旁路，此时接收侧电容值为0；

同理，控制开关管SC2、开关管SC3导通，电容C2反向接入接收电路，此时电路中电容值为C2，然后控制开关管SC3关断，开关管SC4导通，电容C2从接收电路中被旁路，此时接收侧电容值变为0；

通过控制开关管SC1、开关管SC2、开关管SC3、开关管SC4的导通时间即开关管的占空比，能够控制电容C2接入负载侧的时间，对接收电路而言等效电容值与占空比相关，通过调整开关管的占空比，能够实现等效电容值从0到其额定电容容值可调。

7.采用如权利要求1～4任意一项电动汽车无线充电装置的一种电池均衡控制方法，其特征在于包括：

(1)电池组中两部分电池之间能量均衡：

首先，设电池组中前i只电池的能量偏高，需要将电池组中前i只电池的多余能量转移给电池组中后N-i+1只电池，需要闭合开关Si；

状态一：控制开关管SH导通，开关管SL关断，前i只电池和开关管SH以及电感L3构成放电回路，电感L3储存由前i只电池释放的能量，电感上的电流方向向右；

状态二：控制开关管SH关断，开关管SL关断，电池组中后N-i+1只电池与开关管SL的反并联二极管和电感L3构成放电回路；开关管SL的反并联二极管起到续流作用；电感L3释放在阶段一吸收的能量，电感L3上的电流方向向右，电池组中后N-i+1只电池被充电；

通过状态一和状态二两个过程，电池组中前i只电池的多余能量先通过电感储存，接着通过电感L3释放给电池组中后N-i+1只电池；

(2)电池组中某只电池能量偏高需要转移：

当电池组中某只电池能量偏高需要将其能量转移给电池组中其余电池；

设电池Bi与电池平均能量的差值为

首先闭合开关Si-1,断开开关Si；

在状态①中，导通开关管SL，电池Bi至电池Bn每节电池释放能量为△ε₁，这部分能量储存在电感L3中；

在状态②中，断开开关管SL(i-1),电感将在状态一中电感L3储存的能量释放给电池B1至电池Bn-1；

接着闭合开关Si,断开开关Si-1；

在状态③中，导通开关管SH，电池B1至电池Bi每节电池释放能量为△ε₂，这部分能量被临时储存在电感L3中；

在状态④中，断开开关管SH，电感L3将状态三中储存的能量释放给电池Bi+1至电池Bn。

8.根据权利要求7所述一种电池均衡控制方法，其特征在于：

通过电感的伏秒平衡特性，列写方程式对△ε₁，△ε₂进行求解：

公式(1)为前i-1节电池的能量变化量，

公式(2)为第i节电池的能量变化量，

公式(3)为后n-i+1节电池的能量变化量：

联立方程式求解：